✖


Jump to content

Электрохромизм

Редокс-пара для виологена . Вид 2+ слева бесцветен, а вид 1+ справа — темно-синий или красный, в зависимости от принадлежности R. [1]

Электрохромизм — это явление, при котором материал меняет цвет или непрозрачность в ответ на электрический стимул . [2] Таким образом, умное окно, изготовленное из электрохромного материала, может блокировать определенные длины волн ультрафиолетового , видимого или (близкого) инфракрасного света. Возможность контролировать пропускание ближнего инфракрасного света может повысить энергоэффективность здания, уменьшая количество энергии, необходимой для охлаждения летом и обогрева зимой. [1] [3]

Поскольку изменение цвета является постоянным, и энергию нужно приложить только для того, чтобы вызвать изменение, для контроля количества света и тепла , пропускаемого через поверхность, используются электрохромные материалы, чаще всего «умные окна». Одним из популярных приложений является автомобильная промышленность , где он используется для автоматического затемнения зеркал заднего вида в различных освещения условиях .

Принцип

[ редактировать ]
Поперечное сечение электрохромной панели меняется от прозрачного к непрозрачному. На проводящие электроды подается напряжение, и ионы перетекают из слоя хранения ионов через электролит в электрохромный слой.

Явление электрохромизма встречается в некоторых оксидах переходных металлов, которые проводят как электроны , так и ионы , таких как триоксид вольфрама (WO 3 ). [4] Эти оксиды имеют октаэдрическую структуру кислорода, которая окружает центральный атом металла и соединена углами. Такое расположение создает трехмерную нанопористую структуру с «туннелями» между отдельными октаэдрическими сегментами. Эти туннели позволяют диссоциированным ионам проходить через вещество, когда они возбуждаются электрическим полем. Обычными ионами, используемыми для этой цели, являются H. + и Ли + . [5] [6]

Электрическое поле обычно индуцируется двумя плоскими прозрачными электродами, расположенными между слоями, содержащими ионы. Когда к этим электродам прикладывается напряжение, разница в зарядах между двумя сторонами заставляет ионы проникать в оксид, когда электроны, уравновешивающие заряд, текут между электродами. Эти электроны изменяют валентность атомов металла в оксиде, уменьшая их заряд, как в следующем примере триоксида вольфрама: [7]

ГДЕ
3 + п ( Н +
+ и − ) → Ч
н WO
3

Это окислительно-восстановительная реакция, поскольку электроактивный металл принимает электроны от электродов, образуя полуэлемент. [7] Строго говоря, электрод как химическая единица включает в себя плоскую пластину и контактирующее с ней полупроводниковое вещество. Однако термин «электрод» часто относится только к плоской пластине(ам), более конкретно называемой электродной «подложкой». [8]

Фотоны, достигающие оксидного слоя, могут заставить электрон перемещаться между двумя соседними ионами металлов. Энергия, обеспечиваемая фотоном, вызывает движение электрона, который, в свою очередь, вызывает оптическое поглощение фотона. [9] Например, в оксиде вольфрама для двух ионов вольфрама a и b происходит следующий процесс : [10]

В 5+
а + Вт 6+
б + фотон → Вт 6+
а + Вт 5+
б

Электрохромные материалы

[ редактировать ]

Электрохромные материалы, также известные как хромофоры , влияют на оптический цвет или непрозрачность поверхности при приложении напряжения. [7] [11] Среди оксидов металлов оксид вольфрама (WO 3 ) является наиболее изученным и известным электрохромным материалом. [12] Другие включают молибден , [13] титан [14] и оксиды ниобия , [15] хотя они менее эффективны оптически.

Виологены — класс органических веществ. [16] [17] которые интенсивно исследуются для электрохромных применений. [18] Эти 4,4'-бипиридиновые соединения демонстрируют обратимые изменения цвета от бесцветного до темно-синего цвета из-за окислительно-восстановительных реакций. Исследователи могут «настроить» их на глубокий синий или насыщенный зеленый цвет. [11]

Как органические материалы, виологены рассматриваются как многообещающая альтернатива для электронных приложений по сравнению с системами на основе металлов, которые, как правило, дороги, токсичны и их сложно перерабатывать. [16] Возможные преимущества виологенов включают их оптический контраст, эффективность окраски, окислительно-восстановительную стабильность, простоту конструкции и возможность масштабирования для подготовки больших площадей. [18]

Виологены использовались с фенилендиамином компанией Gentex Corporation , которая занимается коммерциализацией зеркал заднего вида с автоматическим затемнением. [18] и умные окна в самолетах Боинг 787. [11] Виологен использовался в сочетании с диоксидом титана (TiO 2 , также известным как диоксид титана) при создании небольших цифровых дисплеев. [19] [20] Для дисплеев также представляют интерес различные проводящие полимеры, включая полипиррол , PEDOT и полианилин . [21]

Синтез оксида вольфрама

[ редактировать ]

Для синтеза оксида вольфрама использовалось множество методов, включая химическое осаждение из паровой фазы (CVD), распыление , термическое испарение , распылительный пиролиз (из пара или золь-гель ) и гидротермальный синтез (из жидкости). [22] В промышленности напыление является наиболее распространенным методом нанесения оксида вольфрама. Для синтеза материалов широко используется золь-гель-процесс из-за его преимуществ, заключающихся в простоте процесса, низкой стоимости и простоте управления. [23]

Золь-гель процесс

[ редактировать ]

В золь-гель процессе триоксида вольфрама WCl
6 растворяется в спирте, а затем окисляется продувкой O
2 в ее решение:

2WCl
6 + 3О
2 → 3ВО
3 + 6Cl
2

Образование H
2 осуществляется по реакции спирта и хлора, используемого для восстановления WO.
3 для получения синего раствора HWO
3 :

(CH
3 )
2 CH–OH + 3Cl
2 → (Cl
3С )
2 = О + 4Н
2
2ВО
3 + Ч
2 → 2ХВО
3

ГДЕ
Наночастицы 3 также можно получить осаждением парапентагидрата вольфрамата аммония (NH
4 )
10 Вт
12 О
41 ⋅5H
2 O , или азотная кислота, HNO
3 , в кислых условиях из водных растворов. [24]

Принцип работы электрохромных окон

[ редактировать ]
См. Также: Электрохромные устройства § Структура устройства.

Для функционального умного окна с электрохромными характеристиками необходимо несколько слоев. [3] Первое и последнее — прозрачное стекло из кремнезема ( SiO
2 ), два электрода необходимы для подачи напряжения, которое, в свою очередь, будет толкать (или тянуть) Li +
ионы из слоя хранения ионов через электролит в электрохромный материал (или наоборот). Подача высокого напряжения (4 В и более) приведет к попаданию ионов лития в электрохромный слой, деактивируя электрохромный материал. Окно теперь полностью прозрачное. При приложении более низкого напряжения (например, 2,5 В) концентрация ионов лития в электрохромном слое уменьшается, тем самым активируя (N)ИК-активный оксид вольфрама. [25] [3] Эта активация вызывает отражение инфракрасного света, тем самым снижая парниковый эффект , что, в свою очередь, уменьшает количество энергии, необходимой для кондиционирования воздуха. [26] В зависимости от используемого электрохромного материала различные части спектра могут блокироваться, таким образом, УФ, видимый и ИК-свет могут независимо отражаться по желанию пользователя. [3]

Приложения

[ редактировать ]
См. Также: Электрохромные устройства § Применение.
Электрохромное стекло, установленное в зданиях

несколько электрохромных устройств Было разработано . Электрохромизм обычно используется при производстве электрохромных окон или « умных стекол ». [3] [1] а в последнее время электрохромные дисплеи на бумажной основе в качестве систем защиты от подделок, интегрированных в упаковку. [27] Материалы NiO широко изучались в качестве противоэлектродов для дополнительных электрохромных устройств, особенно для «умных окон». [28] [29]

ANA Boeing 787-8 Dreamliner Электрохроматическое окно пассажирского самолета

В высокоскоростных поездах ICE 3 между пассажирским салоном и кабиной машиниста используются электрохромные стеклянные панели. Стандартный режим является прозрачным и может быть переключен водителем в матовый. [30] Электрохромные окна используются в Boeing 787 Dreamliner в виде затемняемой панели между наружным окном и внутренней пылезащитной крышкой. [31] позволяя экипажу и пассажирам контролировать прозрачность окон. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Гранквист, К.Г. (2002) [1995]. Справочник по неорганическим электрохромным материалам . Эльзевир . ISBN  978-0-08-053290-5 .
  • Линь, Фэн; Нордлунд, Деннис; Венг, Цу-Чиен; и др. (2013). «Происхождение электрохромизма в высокоэффективном нанокомпозитном оксиде никеля». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 5 (9). Американское химическое общество : 3643–3649. дои : 10.1021/am400105y . ПМИД   23547738 .
  • Моулки, Хаким; Пак, Дэ Хун; Мин, Бонг-Ки; и др. (15 июля 2012 г.). «Улучшение электрохромных характеристик тонких пленок на основе NiO за счет добавления лития: от отдельных слоев к устройствам». Электрохимика Акта . 74 : 46–52. дои : 10.1016/j.electacta.2012.03.123 .
  • Линь, Фэн; Ченг, Цзифан; Энгтракул, Чайват; и др. (2012). « in situ Кристаллизация высокоэффективных электрохромных материалов на основе WO3 и ее значение для долговечности и кинетики переключения». Журнал химии материалов . 22 (33): 16817–16823. дои : 10.1039/c2jm32742b .
  • Деб, СК (1969). «Новая электрофотографическая система». Прикладная оптика . 8 (С1): 192–195. Бибкод : 1969ApOpt...8S.192D . дои : 10.1364/AO.8.S1.000192 . ПМИД   20076124 .
  • Деб, СК (1973). «Оптические и фотоэлектрические свойства и центры окраски в тонких пленках оксида вольфрама». Философский журнал . 27 (4): 801–822. Бибкод : 1973PMag...27..801D . дои : 10.1080/14786437308227562 .
  • Гилласпи, Дэйн Т.; Тенент, Роберт С.; Диллон, Энн К. (2010). «Металлооксидные пленки для электрохромных применений: современные технологии и будущие направления». Журнал химии материалов . 20 (43): 9585–9592. дои : 10.1039/C0JM00604A .
  • Данин, А.; Кожокару, Л.; Фор, К.; и др. (20 мая 2014 г.). , обработанные УФ-излучением при комнатной температуре, «Тонкие пленки WO 3 для электрохромных устройств на бумажной основе». Электрохимика Акта . 129 : 113–119. дои : 10.1016/j.electacta.2014.02.028 .
  • патент WO 2014135804 , Данин, Абделаадим; Фор, Сирил и Кампет, Гай и др., «Электрохромное устройство, состоящее из трех или четырех слоев», выпущено 12 сентября 2014 г.  

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с Мортимер, Р.Дж. (2011). «Электрохромные материалы». Анну. Преподобный Матер. Рез . Том. 41. С. 241–268. Бибкод : 2011AnRMS..41..241M . doi : 10.1146/annurev-matsci-062910-100344 . ПМИД   12449538 .
  2. ^ Чуа, Мин Хуэй; Тан, Дао; Онг, Кок Хау; Нео, Вэй Тэн; Сюй, Цзянь Вэй (2019). «Глава 1. Введение в электрохромизм». Электрохромные интеллектуальные материалы: изготовление и применение . Серия «Умные материалы». Королевское химическое общество. стр. 1–21. дои : 10.1039/9781788016667-00001 . ISBN  978-1-78801-143-3 . S2CID   139718051 . Проверено 29 июля 2022 г.
  3. ^ Jump up to: а б с д и Миллер, Бритни Дж. (8 июня 2022 г.). «Как умные окна экономят энергию» . Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-060822-3 . Проверено 15 июля 2022 г.
  4. ^ Сомани, Пракаш Р.; Радхакришнан, С. (26 сентября 2001 г.). «Электрохромные материалы и устройства: настоящее и будущее» (PDF) . Химия и физика материалов . 77 . Эльзевир: 117–133. дои : 10.1016/S0254-0584(01)00575-2 . S2CID   36550231 . Проверено 22 августа 2019 г.
  5. ^ Гранквист, CG (2015). «Окона для снижения потребности в охлаждении зданий». Экологичные материалы для снижения потребности зданий в охлаждении . Эльзевир. стр. 460–464. ISBN  978-1-78242-380-5 .
  6. ^ Брус, Иржи; Чернек, Иржи; Урбанова, Мартина; Роличек, Ян; Плехачек, Томаш (2020). «Перенос ионов лития в наноканалах гибких металлоорганических каркасов с суперхаотропными металлокарборановыми гостями: механизм ионной проводимости при атомном разрешении» . Приложение ACS. Матер. Интерфейсы . 12 (42): 47447–47456. дои : 10.1021/acsami.0c12293 . ПМИД   32975402 . S2CID   221918602 .
  7. ^ Jump up to: а б с Монк, ПМС; Мортимер, Р.Дж.; Россейнский, ДР (2007). Электрохромизм и электрохромные устройства . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-82269-5 .
  8. ^ Справочная публикация НАСА . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Отдел научно-технической информации. 1979. стр. х . Проверено 29 июля 2022 г.
  9. ^ «Цвета ионов переходных металлов в водном растворе» . Сложные проценты . 5 марта 2014 года . Проверено 29 июля 2022 г.
  10. ^ Дипа, М.; Джоши, AG; Шривастава, АК; Шивапрасад, С.М.; Агнихотри, С.А. (2006). «Электрохромные наноструктурированные пленки оксида вольфрама, полученные золь-гелем: структура и свойства интеркаляции». Журнал Электрохимического общества . 153 (5): C365. Бибкод : 2006JElS..153C.365D . CiteSeerX   10.1.1.949.7131 . дои : 10.1149/1.2184072 .
  11. ^ Jump up to: а б с Ван, Ян; Раннерстром, Эван Л.; Миллирон, Делия Дж. (7 июня 2016 г.). «Переключаемые материалы для умных окон» . Ежегодный обзор химической и биомолекулярной инженерии . 7 (1): 283–304. doi : 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647 . ISSN   1947-5438 . ПМИД   27023660 . Проверено 29 июля 2022 г.
  12. ^ Может, Фабьен; Куртуа, Ксавье; Дюпре, Даниэль (2 июня 2021 г.). «Катализаторы на основе вольфрама для экологического применения» (PDF) . Катализаторы . 11 (6): 703. doi : 10.3390/catal11060703 . Проверено 29 июля 2022 г.
  13. ^ Цзиньмин, Ван; Лицзюнь, ХОУ; Донъюн, Массачусетс (20 мая 2021 г.). «Оксидмолибденовые электрохромные материалы и устройства» . Журнал неорганических материалов . 36 (5): 461. дои : 10.15541/jim20200416 . ISSN   1000-324X . S2CID   229203829 .
  14. ^ Эйовге, Кавит; Динен, Кристиан С.; Руис-Сепеда, Франциско; Бартлинг, Стефан; Смирнов Юрий; Моралес-Масис, Моника ; Сусаррей-Арсе, Артуро; Гарденьерс, Хан (27 августа 2021 г.). «Настройка цвета электрохромных нановолоконных слоев TiO 2, наполненных наночастицами металлов и оксидов металлов, для умных цветных окон» . ACS Прикладные наноматериалы . 4 (8): 8600–8610. дои : 10.1021/acsanm.1c02231 . ISSN   2574-0970 . ПМК   8406417 . ПМИД   34485847 .
  15. ^ Онг, Гэри К.; Саес Кабесас, Камила А.; Домингес, Мануэль Н.; Скьярво, Сюзанна Линн; Хо, Сонён; Миллирон, Делия Дж. (14 января 2020 г.). «Электрохромные наностержни оксида ниобия» . Химия материалов . 32 (1): 468–475. doi : 10.1021/acs.chemmater.9b04061 . ISSN   0897-4756 . S2CID   213992620 .
  16. ^ Jump up to: а б Стрипе, Лаура; Баумгартнер, Томас (1 декабря 2017 г.). «Виологены и их применение в качестве функциональных материалов» . Химия - Европейский журнал . 23 (67): 16924–16940. дои : 10.1002/chem.201703348 . ПМИД   28815887 . Проверено 29 июля 2022 г.
  17. ^ Катиресан, Муругавел; Амвросий, Бебин; Ангулакшми, Натараджан; Мэтью, Дипа Элизабет; Суджата, Дхавамани; Стефан, Арул Мануэль (2021). «Виологены: универсальная органическая молекула для хранения энергии» . Журнал химии материалов А. 9 (48): 27215–27233. дои : 10.1039/D1TA07201C . ISSN   2050-7488 . S2CID   244388428 . Проверено 29 июля 2022 г.
  18. ^ Jump up to: а б с Шах, Квок Вей; Ван, Су-Си; Су, Дебби Сян Юн; Сюй, Цзяньвэй (8 ноября 2019 г.). «Электрохромные материалы на основе виологена: от малых молекул, полимеров и композитов к их применению» . Полимеры . 11 (11): 1839. doi : 10.3390/polym11111839 . ПМК   6918392 . ПМИД   31717323 .
  19. ^ Де Маттейс, Валерия; Каннавале, Алессандро; Эйр, Убальдо (13 декабря 2020 г.). «Диоксид титана в хромогенных устройствах: синтез, токсикологические проблемы и методы изготовления» (PDF) . Прикладные науки . 10 (24): 8896. дои : 10.3390/app10248896 . Проверено 29 июля 2022 г.
  20. ^ Чжэн, Яньсин; Ван, Дживэй; Тан, Синьцяо; Чжан, Лей; Мэн, Фаньбао (1 марта 2020 г.). «Жидкокристаллическое поведение и сегнетоэлектрические свойства ионных жидких кристаллов на основе виологена» . Журнал молекулярных жидкостей . 301 : 112369. doi : 10.1016/j.molliq.2019.112369 . ISSN   0167-7322 . S2CID   212774258 .
  21. ^ Оуян, Цзянюн (сентябрь 2021 г.). «Применение внутреннепроводящих полимеров в гибкой электронике» . СмартМат . 2 (3): 263–285. дои : 10.1002/smm2.1059 . ISSN   2688-819X . S2CID   238642974 .
  22. ^ Чжэн, Хайдун; Оу, Цзянь Чжэнь; Страно, Майкл С .; Канер, Ричард Б.; Митчелл, Арнан; Калантар-заде, Курош (24 мая 2011 г.). «Наноструктурированный оксид вольфрама – свойства, синтез и применение» . Передовые функциональные материалы . 21 (12): 2175–2196. дои : 10.1002/adfm.201002477 . ISSN   1616-301X . S2CID   138637143 .
  23. ^ Лай, Вэй Хао; Су, Йен Сюнь; Тео, Лэй Гайк; Цай, Юань Цунг; Хон, Мин Сюн (2007). «Синтез частиц оксида вольфрама методом химического осаждения» . Операции с материалами . 48 (6): 1575–1577. дои : 10.2320/matertrans.mep2007057 . ISSN   1345-9678 .
  24. ^ Супотина, Ситтисунторн; Сихарадж, Панпайлин; Ёрия, Сорачон; Шриюдтсак, Мана (август 2007 г.). «Синтез наночастиц оксида вольфрама методом кислотного осаждения». Керамика Интернешнл . 33 (6): 931–936. doi : 10.1016/j.ceramint.2006.02.007 . ISSN   0272-8842 .
  25. ^ Вудфорд, Крис (23 апреля 2021 г.). «Как работают электрохромные (умные) окна?» . Объясните этот материал . Проверено 29 июля 2022 г.
  26. ^ «Умные окна, защищающие от солнечной радиации, могут помочь снизить выбросы парниковых газов» . Техэксплор . 1 сентября 2021 г. . Проверено 29 июля 2022 г.
  27. ^ Глогич, Эдис; Фуч, Ромен; Тенот, Виктор; Иглесиас, Антуан; Жоярд-Питио, Бландин; Депре, Гаэль; Ружье, Алин ; Зоннеманн, Гвидо (6 сентября 2021 г.). «Разработка экологически эффективной интеллектуальной электроники для борьбы с подделками и обнаружения ударов на основе чернил для печати» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 9 (35): 11691–11704. doi : 10.1021/acssuschemeng.1c02348 . ISSN   2168-0485 . S2CID   238705710 .
  28. ^ Ислам, Шакирул М.; Эрнандес, Тайлер С.; МакГи, Майкл Д .; Бариле, Кристофер Дж. (март 2019 г.). «Гибридные динамические окна с использованием обратимого электроосаждения металлов и введения ионов» (PDF) . Энергия природы . 4 (3): 223–229. Бибкод : 2019NatEn...4..223I . дои : 10.1038/s41560-019-0332-3 . ОСТИ   1688410 . S2CID   186288929 .
  29. ^ Чен, По-Вэнь; Чанг, Чен-Те; Ко, Тянь-Фу; Сюй, Шэн-Чуань; Ли, Кэ-Дин; Ву, Джин-Ю (21 мая 2020 г.). «Быстрый отклик дополнительного электрохромного устройства на основе электродов WO3/NiO» . Научные отчеты . 10 (1): 8430. Бибкод : 2020NatSR..10.8430C . дои : 10.1038/s41598-020-65191-x . ISSN   2045-2322 . ПМЦ   7242463 . ПМИД   32439890 . Проверено 29 июля 2022 г.
  30. ^ «Представляем поезда InterCity Express Немецких железных дорог» . Мужчина на месте 61 . Проверено 29 июля 2022 г.
  31. ^ «PPG изготовит для Боинга 787 окна салона с электронным затемнением» . Хантсвилл, Алабама: Военная и аэрокосмическая электроника. 16 декабря 2005 г.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrochromism&oldid=1234993323"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7ee667c7fbda0dcdcc73720f0a5d6da3__1721182680
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/7e/a3/7ee667c7fbda0dcdcc73720f0a5d6da3.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Electrochromism - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)